鋰化體積應變自重構:V2O5@FeOOH異質空心納米結構助力鋰離子電池|南京工業大學朱紀欣教授團隊新進展

科技導報 發佈 2021-08-03T08:58:28.830296+00:00

近日,南京工業大學朱紀欣教授團隊報導了一種鋰化體積應變自重構的V2O5@FeOOH空心納米花電極材料,並在鋰離子電池儲能中表現出優良的性能。


近日,南京工業大學朱紀欣教授團隊報導了一種鋰化體積應變自重構的V2O5@FeOOH空心納米花電極材料,並在鋰離子電池儲能中表現出優良的性能。相關成果以「Stereoassembled V2O5@FeOOH Hollow Architectures with Lithiation Volumetric Strain Self-Reconstruction」為題發表在Research上(Research,2020,2360796,DOI:10.34133/2020/2360796)。


研究背景


隨著清潔能源的快速發展,儲能器件的研究與應用在成為未來減少二氧化碳排放、環境污染以及對石油依賴的熱門能源技術。鋰離子電池,由於具有較高的能量密度、較低的自放電效應和記憶效應、環境友好等特點,已被廣泛應用於電動汽車、電子設備、傳感裝置和可穿戴設備等領域。在眾多的鋰電負極材料中,過渡金屬氧化物一族中的氧化釩材料具有豐富的價態(+2價到+5價),可以嵌入更多的鋰離子,表現出優越的儲鋰性能。此外,異質結構在提高電池容量與穩定性中也顯示出極大的潛力。目前,有效構建基於V2O5的具有可調複雜納米異質結構電極仍然需要進行進一步探索。


研究現狀


朱紀欣教授團隊提出了一種高效、簡便的方法,在溫和條件下實現V2O5@FeOOH異質結構立體自組裝(圖1)。在前期V2O5電極材料多級結構調控的工作基礎上,以商用V2O5粉末為原料,於室溫下溶解,通過控制水浴反應時間,藉助Fe(NO3)3誘導V2O5納米片自組裝,在形成層次分明的多級結構的同時,實現FeOOH的原位沉積,優化立體組裝的納米異質結構。


V2O5@FeOOH由超薄納米片自組裝而成,且具有直徑約300 nm的空腔,形貌均一。HRTEM顯示非晶態FeOOH在V2O5納米片表面的無規覆蓋,XRD與XPS譜圖結果進一步表明對異質結構中鐵系非晶態含量的有效調控(圖2)。

將該複合異質結構應用於鋰離子電池負極,表現出穩定的可逆容量及優良的倍率性能(200 mA g-1的電流密度下,電極的可逆容量可穩定在960 mAh g-1)。V2O5@FeOOH異質電極材料性能優異的原因可總結為以下三個方面:

(1)V2O5與FeOOH放電平台的差異,有效地限制了鋰化過程中納米花的體積膨脹,避免電極材料在充放電過程中的結構坍塌;

(2)非晶態FeOOH區域的存在豐富了V2O5的晶界/相介面,產生額外的Li+儲存位點和擴散通道,提高反應活性及儲鋰能力;

(3)在反覆進行的嵌鋰和脫鋰過程中,除了通過V2O5和FeOOH的協同作用實現應變自重構,中空結構的配置可以加快離子、電子的傳輸速率,進一步提升電池的循環穩定性(圖3)。


未來展望


本工作設計和製備了具有優良性能的鋰化體積應變自重構的V2O5@FeOOH異質空心納米花複合電極材料,為開發低成本、高性能的鋰離子電池負極材料提供了新方向。這一結果可以進一步拓展用於優化其他過渡金屬氧化物電極材料,為未來新能源應用的發展提供了新的思路。


作者簡介


朱紀欣 教授,博士生導師,主要從事新材料設計與能源存儲、柔性與可穿戴電子器件等研究工作。2012年獲得新加坡南洋理工大學博士學位。2012-2015年分別於美國萊斯大學、德國慕尼黑工業大學創新中心和德國馬普學會膠體與介面所從事研究工作,2016年加入南京工業大學先進材料研究院。目前,在J. Am. Chem. Soc., Nano Lett., Angew. Chem. Int., Ed., Energy Environ. Sci.等期刊發表SCI論文120餘篇,被引用8400餘次,H指數52,申獲發明專利10餘件。該研究獲國家自然科學基金項目、國家海外高層次青年人才引進計劃、江蘇省傑出青年基金等資助。


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《Research》是中國科協與美國科學促進會於2018年共同創辦的定位為國際化、高影響力、世界一流水平、綜合性、大型OA科技期刊,是美國《Science》自1880年創刊以來第一本合作期刊。主要發表生命科學、新材料研、新能源、人工智慧、微納米科學、環境科學、機械科學、機器人與先進位造8個具有巨大發展潛力的熱點交叉領域突破性研究成果。目前已建立了93人的國內外各占50%、具有國際影響力的編委會,主編(中國)為西北工業大學常務副校長、中科院院士黃維,主編(國際)為美國明尼蘇達大學麥克凱特傑出教授崔天宏。已被CAS、CSCD、DOAJ、ESCI、INSPEC、PMC、Scopus資料庫收錄。


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